[实用新型]背叶片自动调节装置及应用其的透平机械

说明书

技术领域

本公开属于流体机械、能源动力装备和发电系统领域，涉及一种背叶片自动调节装置及应用其的透平机械。

背景技术

透平机械(Turbomachinery)是具有叶片的旋转式流体机械的统称。作为透平机械的一种，压缩机是一种通过使用机械能来增加可压缩流体压力的机器，可以分为轴流式压缩机和离心式压缩机，其中离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，即透平式压缩机，工质通过压缩机时，被叶轮上高速旋转的叶片带动，在离心力的作用下流通至叶轮边缘，经扩压器实现增压作用，离心压缩机可以分为单级结构和多级结构，其中单级压缩机装配有单个转子，多级压缩机带有串联的多个转子。

超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环作为一项革新性的能源动力技术，使用超临界二氧化碳作为动力循环系统工质，以其效率高、成本低、洁净度高以及结构紧凑等优点越来越受到国内外研究机构的重视和认可。特别是二氧化碳具有临界压力适中、较好的稳定性和核物理性质、无毒以及储量丰富等优点，SCO₂循环被认为是核反应堆(第四代核电)最具应用前景的动力循环之一，同时在新型燃机、火电以及太阳能发电机组中均具有潜在的应用。

SCO₂动力循环中压气机不仅是实现膨胀机热功转换的前提，更是系统最大的耗能部件，其性能的优劣直接影响着整个发电系统的性能与运行稳定性。区别于以水、空气、燃气作为工质的叶轮机械，SCO₂压气机面临着更复杂的工质特性、高温高压的工作参数及高功率密度等挑战。尤其是SCO₂压气机叶轮前后绝对压差大、SCO₂工质密度接近于液体而导致轴承所受轴向推力巨大，极易损坏轴承，影响系统安全服役。虽然能采取透平与压气机背靠背的型式避免轴向力过大的问题，但是只适用于小功率机组，SCO₂动力循环的扩大化依然绕不过压气机轴向力过大的问题。

背叶片的结构常用于水力机械，譬如泵、水轮机等，特别适合于输送含有固体颗粒等条件苛刻液体介质的密封，比如螺旋离心泵。叶轮背叶片常见于离心泵叶轮，是布置在后盖板上的若干径向叶片，一方面可以降低密封处的压力，阻止轴封处的泄漏，另一方面还可以平衡部分的轴向力。背叶片随着叶轮旋转，并强迫带动液体旋转，使液体的旋转角度比没有背叶片时的大。由流体力学得知，此时作用在叶片后盖板上的液体的部分压力水头转化成为速度水头，从而使后泵腔的液体压力值得到下降，于是，使作用在叶轮上的轴向力得到部分平衡。

SCO₂压气机出口处压力达20MPa以上，在其叶轮背部布置背叶片结构不仅能起到平衡轴向力的作用，还能起到降低密封压力的作用，具有重要的工程实践意义。另外，相比于其他动力部件，SCO₂压气机的工况范围广，启停过程所耗时间周期长，因此其产生的轴向力也会随之发生变化。传统的背叶片结构一旦设计，其产生的轴向平衡力便不可调，而且背叶片有可能因产生平衡力过大，出现过度平衡的问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种背叶片自动调节装置及应用其的透平机械，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种背叶片自动调节装置，包括：测力传感器，设置于推力轴承与轴10之间，用于测定推力轴承向轴所产生的轴向推力；至少一可调式背叶片，固定于叶轮20的背面，其相对于轴径向的角度可调。

在本公开的一些实施例中，可调式背叶片通过可旋式紧固件安装在叶轮背部，可调式背叶片被可旋式紧固件固定的位置位于其中部。

在本公开的一些实施例中，还包括：控制机构，用于根据测力传感器所测得的轴向推力，调整可调式背叶片相对于轴径向的角度。

在本公开的一些实施例中，控制机构包括：背叶片旋转角度控制机构，与至少一可调式背叶片连接；计算装置，根据测力传感器实时测得轴向推力，计算可调式背叶片的所需旋转角度；可编程逻辑控制器，其依据可调式背叶片的所需旋转角度，控制背叶片旋转角度控制机构进行动作，调整至少一可调式背叶片的旋转角度至所需旋转角度。

在本公开的一些实施例中，计算装置按照下式计算可调式背叶片的所需旋转角度θ：

其中，F为测力传感器实时测得轴向推力；

ρ为流体密度；

ω为叶轮旋转角速度；

R_e为旋转角度θ为0时，可调式背叶片径向外侧边缘距旋转中心的距离；